JP2010532040A - 自給式液圧アクチュエータ・システム - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動方向を容易に変更できる液圧線形アクチュエータ・システムを提供する。
【解決手段】 本発明の液圧線形アクチュエータ・システムは、ほぼ一定の速度で一方向に回転するよう構成されたポンプを有する。その方向とシステムを通る流体の速度は、ポンプのロータとステータとの間の位置関係を調節することによる制御される。この位置関係は、順方向流状態と、非流通状態と、逆方向流状態の間で調節可能である。液圧線形アクチュエータは、システムを通る流体の流れに反応して、ポンプの順方向流状態による第１方向とポンプの逆方向流状態による第２方向に移動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自給式（self-contained）アクチュエータ・システムに関し、特に、自給式液圧線形アクチュエータ・システムに関する。この液圧線形アクチュエータ・システムは、ポンプと線形アクチュエータとを有する。ポンプのポンプ動作構造体は、システム内を流れる流体の速度と方向を制御するよう調整可能である。線形アクチュエータは流体流に応答する。

双方向性ポンプを組み込んだ閉鎖液圧システムを有する自給式液圧アクチュエータ・システムは公知である。この為、これらのシステムは、ポンプを駆動する双方向に動作するモータを必要とする。それ故に、ポンプの回転速度と回転方向、即ち流体流がシステム内を流れる速度と方向は、ポンプを駆動するモータの動きに直接関係する。この目的に最も適したモータは、電気サーボ・モータである。サーボ・モータは、必要に応じて瞬時に速度と方向を変化させることができる。これは、特に、動きのシュミレーションの分野に関係する。

双方向性ポンプを駆動するサーボ・モータを使用することに関して、いくつかの欠点がある。主な欠点は、双方向のサーボ・モータは、高価なことである。高価となる理由は、タスクを実行する間、速度と／又は方向とを何回も瞬時に変えるようにしなければならず、その過酷さに耐えなければならないからである。

それ故に、必要とされる液圧線形アクチュエータ・システムは、ポンプと線形アクチュエータとを有し、ポンプのポンプ動作構造体は、システム内を流れる流体の速度と方向を制御するよう調整可能であり、線形アクチュエータは、流体流に応答するシステムである。閉鎖液圧システムを有するアクチュエータ・システムが得ることは、さらに好ましいことである。

本発明は、自給式液圧線形アクチュエータ・システムである。この液圧線形アクチュエータ・システムは、ポンプと線形アクチュエータとを有する。ポンプのポンプ動作構造体はシステム内を流れる流体の速度と方向を制御するよう調整可能である。線形アクチュエータは流体流に応答する。

本発明の一実施例によれば、本発明の液圧アクチュエータ・システムは、
（ａ） 一定速度で回転する駆動モータと、
（ｂ） 前記駆動モータにより駆動される液圧ポンプと、
（ｃ） 前記液圧ポンプが順方向流状態の第１方向と逆方向流状態の第２方向に駆動されるよう、前記液圧ポンプと連通する液圧線形アクチュエータと、
（ｄ） 前記液圧ポンプに関連する制御システムと、
前記制御システムは、前記液圧ポンプの順方向流状態と、非流通状態と、逆方向流状態の間の調整を制御し、
前記制御システムは、双方向回転モータを有し、前記調整の速度と方向は、前記双方向回転モータで行われ、
（ｅ） 前記液圧線形アクチュエータに関する位置情報を提供するよう構成されたポジショニング・システムと
を有する。

本発明の一実施例によれば、前記液圧ポンプは、変形制御可能なポンプ動作組立体を有し、前記調整は、前記ポンプ動作組立体の構造の変更を含む。

本発明の一実施例によれば、前記液圧ポンプは、ステータと、前記ステータの間に配置されるロータとを有し、前記ポンプ動作組立体の構造の変更は、前記ステータとロータとの間の位置関係の調整を含む。

本発明の一実施例によれば、前記液圧ポンプは、ベーン・ポンプである。

本発明の一実施例によれば、前記ポジショニング・システムは、ポジション・フィードバックシステムを有し、前記ポジション・フィードバックシステムは、前記液圧線形アクチュエータに関する位置情報を提供する。

本発明の一実施例によれば、前記ポジション・フィードバックシステムは、前記アクチュエータに関連するリニア・ポテンショメータと光学エンコーダの少なくとも一方を含む。

本発明の一実施例によれば、前記液圧ポンプと液圧線形アクチュエータとの間の連通路は、閉鎖液圧システムを介して形成される。

本発明の一実施例によれば、本発明の液圧アクチュエータ・システムは、
（ｆ） 流体拡張貯蔵庫と、
（ｇ） 前記流体拡張貯蔵庫と前記液圧ポンプの下流ポートとの間の連通路を維持するよう構成されたバルブ構造と
を更に有する。

本発明の一実施例によれば、
前記液圧ポンプは、第１ポートと第２ポートを有し、
前記第１ポートと第２ポートは、交互に上流ポートと下流ポートとして動作し、
前記第１ポートが前記上流ポートとして動作する時は、前記第２ポートは下流ポートとして動作し、
前記第１ポートが前記下流ポートとして動作する時は、前記第２ポートは上流ポートとして動作し、
前記第１ポートと第２ポートが前記下流ポートとして動作することに応じて、前記バルブ構造は、前記流体拡張貯蔵庫と前記第１と第２のポートの一方との間の連通路を維持する。

本発明の一実施例によれば、前記流体拡張貯蔵庫は、排出口を有さない。

本発明の自給式液圧線形アクチュエータ・システムの一実施例を表す側面展開図。 図１の実施例の正面図。 ポンプ・ハウジングの左側に調整（配置）されたステータを表す、線A-Aに沿った図１の実施例の断面図。 ポンプ・ハウジングの左側に調整（配置）されたステータを表す、線B-Bに沿った図１の実施例の断面図。 ポンプ・ハウジングの右側に調整（配置）されたステータを表す、線B-Bに沿った図１の実施例の断面図。 ポンプ・ハウジングの中立位置に調整（配置）されたステータを表す、線B-Bに沿った図１の実施例の断面図。 流体供給状態に配置されたシャトルバルブを表す本発明の液圧回路を表す図。 流体受領状態に配置されたシャトルバルブを表す本発明の液圧回路を表す図。 本発明の線形アクチュエータ用の制御システムの一実施例を表すブロック図。

本発明は、自給式液圧線形アクチュエータ・システムである。この液圧線形アクチュエータ・システムは、ポンプと線形アクチュエータとを有する。ポンプのポンプ動作構造体はシステム内を流れる流体の速度と方向を制御するよう調整可能である。線形アクチュエータは流体流に応答する。

本発明の液圧線形アクチュエータ・システムは、一定速度で一方向に回転するポンプを有する。それ故に、このポンプを駆動する駆動モータは、従来公知の一方向に一定速度で回転するモータであり、双方向に可変速度で回転するサーボ・モータではない。これにより、本発明の液圧線形アクチュエータ・システムは、双方向に可変速度で回転する高価なサーボ・モータを採用するシステムよりも安くなる利点がある。

システム内を流れる流体流の方向と速度は、ポンプの構造を調整する（変える）ことにより、行われる。ポンプは、流体が、順方向に流れる状態（順方向流状態）と、流れない中立状態と、逆方向に流れる状態（逆方向流状態）との間で調整可能である。液圧線形アクチュエータは、システム内を流れる流体流に応答して、ポンプの順方向流状態の第１方向に動かされ、ポンプの逆方向流状態の第２方向に動かされる（配置される）。

本明細書において、「時計方向」「反時計方向」「左」「右」は、図面を基準にする。

図１，２は、本発明の液圧線形アクチュエータ・システム２の一実施例の外側の側面図と正面図である。同図には、駆動モータ４と、ステッパ・モータ・ハウジング６と、線形アクチュエータ８と、ポンプ２０とが示されている。ステッパ・モータ・ハウジング６は、ポンプの構造を調整する（変化させる）ステッパ・モータを収納する。ポンプ２０には、付属流体貯蔵庫４０が取り付けられている。

駆動モータは、好ましくはAC電気モータである。しかし如何なる駆動装置も採用可能で、例えば、DC電気モータ、内燃機関等もポンプを駆動するのに用いられる。

線形アクチュエータ８は、同図に示すように、液圧シリンダとピストンからなるアクチュエータである。線形アクチュエータ８内において、アクチュエータ・シリンダ１０は、ポンプ２０に、ポンプ２０のアクチュエータ取付延長部１２を介して、取付られる。アクチュエータ取付延長部１２は、ポンプ２０とアクチュエータ・シリンダ１０との間の流体通路を提供するよう構成される。線形アクチュエータ８は、ポンプ２０に必ずしも取り付ける必要はない。流体通路は、従来公知の方法で具備される。一例として、ホース、チューブ、パイプ、あるいは他の適宜の流体導管である。どの様な液圧駆動装置も本発明のポンプ２０に用いることができる。

本発明の一実施例においては、ポンプ２０は、制御可能な可変のポンプ動作組立体を具備するロータリ・ベーン・ポンプである。しかし本発明の原理は、ピストン・ポンプにも等しく適用可能である。図３−６に示すように、可変のポンプ動作組立体は、ポンプ・ハウジング２２内に配置され、置換型のステータ２４とロータ２６とを有する。複数の羽根（ベーン）２８が、ステータ２４内に配置される。ステータ２４は、ピボット・シャフト３０を軸に回転するよう構成され、ロータ２６は、一定位置で回転する。それ故に、ステータ２４とロータ２６の間の位置関係は、調整可能である。ステータ２４とロータ２６の間の位置関係が調整可能なために、ステータ２４内の作動ポンプ容積３２の位置も変わる（図４−６）。このため、作動ポンプ容積３２の、出入口ポート３４，３６に対する位置関係も変わる。出入口ポート３４，３６は、入口／出口ポートと称するが、それは、その役目がポンプ内を流れる流体流の方向により変わるからである。本明細書においては、ロータ２６は、時計方向（矢印３８）に回転するものとする。

図４において、ステータ２４は、左側に配置され、作動ポンプ容積３２の大部分は、ロータ２６の左側にある。それ故に、流体は、膨張ストロークの間、作動ポンプ容積３２内に、出入口ポート３６（この時は入口ポートとして機能する）を介して流れ込む。ポンプが排出ストロークになると、流体は、作動ポンプ容積３２から出入口ポート３４を介して強制的に排出される。従って、出入口ポート３４は、今度は出口ポートとして機能する。

図５において、ステータ２４は、ほぼ中央に配置され、作動ポンプ容積３２は、ロータ２６の周囲に均等に分布している。それ故に、この状態は、膨張ストロークでも排出ストロークでもない。流体は、作動ポンプ容積３２に、出入口ポート３４，３６のいずれかを介して引き込まれたり、押し出されたりすることもない。この中立位置においては、流体の流れない状態が液圧システム内で達成される。

図６において、ステータ２４は、右側に配置され、作動ポンプ容積３２の大部分は、ロータ２６の右側にある。それ故に、流体は、膨張ストロークの間、作動ポンプ容積３２内に、出入口ポート３４（この時は入口ポートとして機能する）を介して流れ込む。ポンプが排出ストロークになると、流体は、作動ポンプ容積３２から出入口ポート３６を介して強制的に排出される。従って、出入口ポート３６は、今度は出口ポートとして機能する。

この様に構成されると、ポンプ２０内を流れる、即ちシステム内を流れる流体流の速度と方向は、ステータ２４とロータ２６の間の位置関係を調整することによって、制御できる。入口／出口ポートの位置により、ステータ２４が、中央の中立位置（図５）にある時には、流体が流れない状態が液圧システム内で達成される。ステータ２４が、中立位置から第１方向例えば左側（図４）に移動すると、順方向流状態が達成される。ステータ２４が、中立位置から第２方向例えば右側（図６）に移動すると、逆方向流状態が達成される。ステータが中立位置から更に離れる方向に移動すると、より多くの流体がポンプ２０を通る。ポンプ内を流れる流体の量は、アクチュエータの移動速度と移動距離に影響を及ぼす。ロータの回転方向、即ち流体流の方向、順方向流状態と逆方向流状態は、設計的選択事項であり、限定的事項と解釈してはならない。

ステータ２４の位置の調整は、ステッパ・モータ・ハウジング６内に収納された双方向性ステッパ・モータ（図示せず）により行われ、ポジション・コントローラ６４を含む制御システムにより制御される。ステッパ・モータは、歯（ツメ）６０を駆動する。この歯（ツメ）６０は、ステータ２４から伸びた歯（ツメ）部６２と噛み合う。この様に構成することにより、ステッパ・モータの回転速度と回転方向は、ステータ２４の位置の速度と方向に影響を与える。ここに示すように、ステッパ・モータが時計方向に回転すると、ステータ２４は左側に移動し、反時計方向に回転すると、ステータ２４は右側に移動する。上記の説明は、ステータ２４の位置を調整するために、ステッピング・モータの使用を例に説明したが、ステータ２４の位置を調整を、双方向回転モータ、又はギアの回転方向が変更可能な一方向回転モータで使用する実施例でもよい。

ステッパ・モータの回転速度と回転方向は、図９に示すポジション・コントローラ６４により制御される。本発明の一実施例では、ポジション・コントローラ６４が、線形アクチュエータ８を所望の位置に移動させるコマンドを受領すると、線形アクチュエータ８の現在の位置は、線形アクチュエータ８に関連する光学エンコーダ７０を有するフィードバックシステムからのフィードバック信号に基づいて決定される。線形アクチュエータ８の位置に関するフィードバック信号は、光学エンコーダの代わりに、あるいはそれに付加された線形ポテンショメータにより供給される。線形アクチュエータ８の現在の位置と位置が変化する速度に基づいて、ステッパ・モータ６６の回転方向と、ステッパ・モータ６６が動くステップ数と、そのレート（速度）が決定される。ステッパ・モータ・ドライバ６８内に組み込まれたパルス生成器は、適宜のパルスを所望のレートで送出する。これによりステッパ・モータ６６は、必要な量だけ回転して、ステータ２４が必要な位置に来て、線形アクチュエータ８が所望の位置に来るようにする。リモート・アクチュエータ（即ちポンプ２０に直接取り付けられていないアクチュエータ）を有する本発明の一実施例においては、制御システムは、COMポートを具備し、制御システムへの外部接続アクセスを提供してもよい。

従来のシステムは、ステッパ・モータが動くステップの数と方向に基づいて位置を追尾するが、本発明は、これとは異なり、ステッパ・モータ６６は、ステータ２４の移動方向と移動量とその移動速度を制御するためだけに用いられる。線形アクチュエータ８の位置は、ポジショニング・システムによりモニタされる。このポジショニング・システムは、位置に関するフィードバック信号をポジション・コントローラ６４に与えるエンコーダ７０を有する。この方法により、線形アクチュエータ８の実際の位置をより正確に示すことができる。その理由は、ステッパ・モータ６６の回転は、線形アクチュエータ８の動きに直接関係しないからである。そうではなく、ステッパ・モータ６６の回転は、ステータ２４の位置に直接関連し、このステータ２４の位置が、線形アクチュエータ８の動きに影響を与える。

液圧シリンダーとピストンアクチュエータを閉鎖液圧システム内で使用すると、ピストンの両側の間の容量差の問題が引き起こされる。その理由は、一方の側は、アクチュエータ・ロッド１４を有するからである（図１，２）。この問題を解決する１つの方法は、付属流体貯蔵庫４０と、付属流体貯蔵庫４０を出入りする流体流を制御するバルブ４２を具備することである。別の解決方法は、ピストンの両側に伸びる２本のアクチュエータ・ロッド１４を具備する線形アクチュエータ８を用いることである。これにより２つの側の間の容量差を解消する。

上記したように、本発明の液圧ポンプ内を流れる流体流の方向は、ステータ２４の移動（配置位置）により制御される。それ故に、図７，８に示すように、ポンプ２０の入口ポートと出口ポートは、交互に上流ポートと下流ポートとして動作する。その結果第１ポート４４が上流ポートとして動作する時は、第２ポート４６は下流ポートとして動作する。第１ポート４４が下流ポートとして動作する時は、第２ポート４６は上流ポートとして動作する。それ故にバルブ４２は、図に示すようなシャトルバルブが好ましいが、付属流体貯蔵庫４０と、ある時点で下流ポートとして動作する第１ポート４４と第２ポート４６のいずれかとの間の流通路を維持する。即ちバルブ４２は、液圧システム内の差圧に応答し、付属流体貯蔵庫４０とポンプ２０の低圧側との間の流体路を維持する。バルブ４２は、好ましくはシャトルバルブであるが、如何なる種類のバルブの使用も本発明の範囲に含まれる。

図７は、線形アクチュエータ８の膨張ストロークの間の流体流を示す。上記したように、ピストンの一方の側でのシリンダの動きによる流体の量は、ピストンの他側のシリンダの液体容積を充填するには不十分である。それ故に、シャトル・バルブ４２を配置して、付属流体貯蔵庫４０からの流体が、ポンプ２０の下流側の液圧回路の主流４８内に流れるようにする。この場合第１ポート４４は、下流ポートとして機能する。

図８は、線形アクチュエータ８の収縮ストロークの間の流体流を示す。同図において、シリンダの動きによる流体の量は、ピストンの他側にあるシリンダの液体容積を充填するのに必要な量以上ある。それ故にシャトル・バルブ４２を配置して、液圧回路の主流４８からの流体を、ポンプ２０の下流側にある付属流体貯蔵庫４０内に流す。この場合、第２ポート４６は、下流ポートとして動作する。

本発明の一実施例においては、付属流体貯蔵庫４０は閉鎖されている、即ち換気されていない。これ故に本発明の液圧システムを閉鎖システムとして用いることができる。選択的事項として、付属流体貯蔵庫４０を２気圧まで圧力をかけてもよい。

本発明の他の特徴は、駆動モータ４に関連したフライホイール８０の配置にある。これは一定速度で一方向に回転する装置を用いた場合は、従来公知のものである。これにより、本発明のシステムは、フライホイールが逆効果となる双方向性の駆動モータを用いるシステムに比較して、エネルギーの効率的利用の利点がある。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

２ 液圧線形アクチュエータ・システム
４ 駆動モータ
６ ステッパモータ・ハウジング
８ 線形アクチュエータ
１０ アクチュエータ・シリンダ
１２ アクチュエータ取付延長部
１４ アクチュエータ・ロッド
２０ ポンプ
２２ ポンプ・ハウジング
２４ ステータ
２６ ロータ
２８ 羽根
３０ ピボット・シャフト
３２ 作動ポンプ容積
３４，３６ 出入口ポート
３８ 矢印
４０ 付属流体貯蔵庫
４２ バルブ
４４ 第１ポート
４６ 第２ポート
４８ 主流
６０ 歯（ツメ）
６２ 歯（ツメ）部
６４ ポジション・コントローラ
６６ ステッパ・モータ
６８ ステッパ・モータ・ドライバ
７０ 光学エンコーダ
８０ フライホイール

Claims (10)

1. 液圧アクチュエータ・システムにおいて、
   （ａ） 一定速度で回転する駆動モータと、
   （ｂ） 前記駆動モータにより駆動される液圧ポンプと、
   （ｃ） 前記液圧ポンプが順方向流状態の第１方向と逆方向流状態の第２方向に駆動されるよう、前記液圧ポンプと連通する液圧線形アクチュエータと、
   （ｄ） 前記液圧ポンプに関連する制御システムと、
   前記制御システムは、前記液圧ポンプの順方向流状態と、非流通状態と、逆方向流状態の間の調整を制御し、
   前記制御システムは、双方向回転モータを有し、前記調整の速度と方向は、前記双方向回転モータで行われ、
   （ｅ） 前記液圧線形アクチュエータに関する位置情報を提供するよう構成されたポジショニング・システムと
   を有する
   ことを特徴とする液圧アクチュエータ・システム。
2. 前記液圧ポンプは、変形制御可能なポンプ動作組立体を有し、
   前記調整は、前記ポンプ動作組立体の構造の変更を含む
   ことを特徴とする請求項１記載の液圧アクチュエータ・システム。
3. 前記液圧ポンプは、ステータと、前記ステータの間に配置されるロータとを有し、前記ポンプ動作組立体の構造の変更は、前記ステータとロータとの間の位置関係の調整を含む
   ことを特徴とする請求項１記載の液圧アクチュエータ・システム。
4. 前記液圧ポンプは、ベーン・ポンプである
   ことを特徴とする請求項２記載の液圧アクチュエータ・システム。
5. 前記ポジショニング・システムは、ポジション・フィードバックシステムを有し、
   前記ポジション・フィードバックシステムは、前記液圧線形アクチュエータに関する位置情報を提供する
   ことを特徴とする請求項１記載の液圧アクチュエータ・システム。
6. 前記ポジション・フィードバックシステムは、前記アクチュエータに関連するリニア・ポテンショメータと光学エンコーダの少なくとも一方を含む
   ことを特徴とする請求項４記載の液圧アクチュエータ・システム。
7. 前記液圧ポンプと液圧線形アクチュエータとの間の連通路は、閉鎖液圧システムを介して形成される
   ことを特徴とする請求項１記載の液圧アクチュエータ・システム。
8. （ｆ） 流体拡張貯蔵庫と、
   （ｇ） 前記流体拡張貯蔵庫と前記液圧ポンプの下流ポートとの間の連通路を維持するよう構成されたバルブ構造と
   を更に有する
   ことを特徴とする請求項６記載の液圧アクチュエータ・システム。
9. 前記液圧ポンプは、第１ポートと第２ポートを有し、
   前記第１ポートと第２ポートは、交互に上流ポートと下流ポートとして動作し、
   前記第１ポートが前記上流ポートとして動作する時は、前記第２ポートは下流ポートとして動作し、
   前記第１ポートが前記下流ポートとして動作する時は、前記第２ポートは上流ポートとして動作し、
   前記第１ポートと第２ポートが前記下流ポートとして動作することに応じて、前記バルブ構造は、前記流体拡張貯蔵庫と前記第１と第２のポートの一方との間の連通路を維持する
   ことを特徴とする請求項７記載の液圧アクチュエータ・システム。
10. 前記流体拡張貯蔵庫は、排出口を有さない
    ことを特徴とする請求項７記載の液圧アクチュエータ・システム。

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